3. Системный анализ транспортных процессов

Транспортная система в наиболее общем случае - это образую­щая связанное целое совокупность работников, транспортных средств и оборудования, элементов транспортной инфраструктуры и инфра­структуры субъектов перевозки, включая систему управления, направ­ленная на эффективное перемещение грузов и пассажиров.

Инфраструктура – это физические компоненты транспортной системы, которые занимают фиксированное положение в пространстве и создают транспортную сеть, включающую связи (сегменты автомо­бильных и железных дорог, трубопроводов и т. п.) и узлы (пересечения сегментов дорог, терминалы различного назначения и т. д.). Важной задачей инженера соответствующего профиля является обеспечение требуемой пропускной способности связей и узлов, их технологичес­кое соответствие обслуживаемым потокам грузов и пассажиров для своевременного обеспечения потребностей экономики и населения.

Перемещение транспортных средств по транспортной сети образует транспортные потоки. Транспортные средства имеют ши­рокий диапазон характеристик, которые необходимо учитывать при про­ектировании транспортных сетей. В зависимости от используемых транспортных средств, будь то велосипед или карьерный самосвал, трамвай или железнодорожный состав, будут меняться не только ха­рактеристики транспортного потока, но и требования к геометричес­ким и техническим параметрам транспортных сетей. В узлах транс­портных сетей грузы и пассажиры, следующие до этого на транспорт­ных средствах, перемещаясь на другие транспортные средства, склады и т. д., образуют самостоятельные потоки, которые также должны быть своевременно обслужены.

Система управления включает систему управления транспорт­ными потоками и систему управления работой транспортных средств. Система управления работой транспортных средств опреде­ляется выбранной технологией перевозок и, как правило, является частью транспортной инфраструктуры. Из этой системы управления не следует выделять водителя, который непосредственно реализует це­левые указания. В случае индивидуального транспорта водитель ока­зывается единственным субъектом этой системы управления. Присут­ствие водителя в системе управления определяет необходимость учета человеческого фактора. Система управления транспортными потока­ми выполняет необходимые действия по упорядочению движения транспортных средств и исключению конфликтов между ними. Эта система оперирует знаками, дорожной разметкой и сигналами в соот­ветствии с определенными правилами.

Эффективность транспортной системы не может рассматри­ваться только в рамках достижения оптимальности выполнения соот­ветствующих процессов внутри системы. Основными задачами транс­портной системы являются удовлетворение потребности экономики в перевозке грузов и обеспечение мобильности населения. В связи с этим эффективность транспортной системы всегда будет определяться неким балансом между противоречивыми требованиями экономики и общества. Ярким примером является желание пассажира, чтобы транспорт подъехал к остановке, как только пассажир подошел к ней, и желание перевозчика установить такой интервал движения, чтобы транспортные средства всегда были заполнены полностью и приноси­ли, максимальный доход. Таким образом, для построения эффектив­ной транспортной системы необходимо познания в области транспор­та сочетать с экономикой, градостроительством, географией, экологи­ей, социологией и психологией.

Для приближения материала курса к специальности в дальней­шем, говоря о транспортных системах, будем, как правило, подразуме­вать автотранспортные системы. В автотранспортной системе в качестве транспортных средств используются автомобили. Класси­фикация автотранспортных систем может быть выполнена по разным признакам. Относительно объекта перевозки они могут быть грузовые, пассажирские или грузопассажирские, относительно сферы примене­ния – общего пользования или внутрипроизводственные и т. д. Класси­фикация автотранспортных систем относительно уровня сложности приведена на рис. 3.1.

При выполнении автомобильных перевозок можно выделить не­сколько типичных вариантов организации транспортного процесса:

1. однократная или многократная перевозка груза одним автомо­билем от одного и того же отправителя к одному и тому же потребите­лю (микросистема). Это простейший вариант организации транспор­тного процесса. При этом варианте обратный пробег от потребителя к отправителю автомобиль выполняет без груза. На различных комбина­циях микросистем основаны все остальные варианты организации транспортного процесса;

Рис. 3.1. Укрупненная классификация автотранспортных систем по уровню сложности

2. однократная или многократная перевозка груза одним автомо­билем от одного и того же отправителя к одному и тому же потребите­лю с доставкой груза в обратном направлении до отправителя или лю­бого промежуточного пункта (особо малая система). Следует обра­тить внимание, что в этом случае вид и количество груза, перевозимого в прямом и обратном направлениях, как правило, различны;

3. организация транспортного процесса в первом или втором ва­риантах с использованием нескольких автомобилей, обслуживающих одного отправителя или потребителя грузов (малая система с чел­ночным движением автомобилей). Для этого варианта сложность и требования к организации транспортного процесса существенно выше, так как требуется увязка работы нескольких автомобилей, составление графиков загрузки погрузочно-разгрузочных пунктов и т. д.

Во всех трех рассмотренных вариантах автомобиль перемещает­ся от пункта к пункту по одному и тому же маршруту в прямом и об­ратном направлениях (рис. 3.2, а);

Рис. 3.2. Примеры транспортных систем: а - челночное движение автомобилей в простейших вариантах организации транспортного процесса; б - кольцевое движение автомобилей; в - развоз или сбор груза; г - транспортный процесс обслуживания производственной струк­туры; д - транспортный процесс обслуживания нескольких производственных структур

4. однократная или многократная перевозка груза от нескольких отправителей к нескольким потребителям, при которой один или не­сколько автомобилей периодически возвращаются в пункт первой заг­рузки (малая система с кольцевым движением подвижного соста­ва). При этом варианте автомобиль за один оборот делает несколько остановок у отправителей и потребителей грузов (рис. 3.2, б). Обяза­тельным требованием к данному варианту организации транспортного процесса является необходимость составления графика движения под­вижного состава. Это связано с тем, что длина оборота при кольцевом движении, как правило, существенно больше, чем при челночном;

5. развоз или сбор груза от одного отправителя или к одному по­требителю (малая система с развозом или сбором груза). Схема пере­мещения автомобиля аналогична варианту 4, но за оборот происходит только одна загрузка автомобиля и постепенная его разгрузка в несколь­ких пунктах при развозе груза. Одновременно могут выполняться по­степенная многократная загрузка и однократная разгрузка при сборе груза. Схема этого варианта организации транспортного процесса при­ведена на рис. 3.2, в;

6. обслуживание определенной производственной структуры (предприятие, склад, терминал и т. д.), что требует использования не­скольких малых систем, работа которых будет подчинена одной цели – обслуживанию одного потребителя (средняя система). Пример дан­ного варианта организации транспортного процесса представлен на рис. 3.2, г;

7. интегрированная транспортная система. Она может обслужи­вать несколько производственных структур или определенный геогра­фический регион (большая система). В данном случае процессы пе­ремещения грузов будут происходить между несколькими производ­ственными предприятиями, складами или терминалами со сбором или развозкой груза отправителям и потребителям. Пример данного вари­анта организации транспортного процесса представлен на рис. 3.2, д;

8. особо большая система. В ней для транспортного обслужива­ния задействованы несколько перевозчиков или операторов и могут использоваться несколько видов транспорта. В этом случае конкрет­ный клиент может обслуживаться транспортными средствами различ­ных владельцев.

С увеличением номера варианта организации транспортного про­цесса последовательно возрастает сложность согласования работы его субъектов. Одновременно увеличиваются число субъектов и значимость согласования работы этих субъектов в общей эффективности транс­портного процесса.

В вариантах организации транспортного процесса, отображаемых на рис. 3.2, а, можно выделить три субъекта: грузоотправитель, грузо­получатель и перевозчик. В большой системе (см. рис. 3.2, д) таких субъектов уже десятки. Невозможность согласования кем-либо из гру­зоотправителей, грузополучателей или перевозчиков всех элементов транспортного процесса в средних и главным образом больших систе­мах вызывает появление дополнительных субъектов: экспедитора и оператора.

Приведенная на рис. 3.2 классификация позволяет, в частности, выявить наиболее заинтересованного в повышении эффективности функционирования системы субъекта – организатора той или иной транспортной системы. Очевидно, что организатором малых и сред­них систем будет в большей степени грузоотправитель, а больших – экспедитор или оператор.

Согласование интересов всех субъектов для достижения синергетического эффекта возможно при объединении транспортных систем различных уровней сложности, например средних и больших, в особо большие.

Транспортно-логистические системы (ЛС) охватывают не толь­ко процесс перевозки. Они в целом решают процесс доставки грузов или пассажиров независимо от используемых видов транспорта, но с учетом необходимых объемов, сроков и качественных показате­лей доставки. Таким образом, ЛС используют принципы построения многоуровневых систем, обеспечивающих возможность управления ма­териальными потоками на различных уровнях операционного управ­ления с выходом на единые критерии эффективности ЛС. При этом в ЛС существенное значение имеют информационные управляющие системы, так как только с их помощью можно обеспечить координа­цию управления в едином информационном пространстве множества субъектов. В целом предметную область ЛС можно представить в виде обобщенной схемы, приведенной на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Обобщенная схема предметной области ЛС 39

Специальные транспортные системы предназначены для ре­шения конкретных задач, которые возникают при необходимости пе­ревозки особых грузов или организации транспортного сообщения в особых условиях. Примерами таких систем могут быть контейнерная транспортная система, система доставки пассажиров в аэропорт и т. п.

Функциональная структура транспортной системы представ­лена на рис. 3.4. В общем случае на первом уровне выделяют произ­водственную и управляющую системы. В производственной системе выделяются следующие подсистемы:

• технологическая – обеспечивает выполнение основных функ­ций транспортной системы;

• обеспечивающая – выполняет функции, сопровождающие транспортные процессы;

• восстанавливающая – выполняет функции по поддержанию элементов системы в работоспособном состоянии.

Рис. 3.4. Функциональная структура транспортной системы

Вспомогательная подсистема обеспечивает выполнение функций, связанных с общей работой системы (кадровая работа, учетные функ­ции и т. п.).

В целом подсистемы обеспечивают выполнение процессов для достижения цели функционирования системы. Управляемость систе­мы поддерживается за счет наличия обратных связей, передающих информацию о соответствии цели результатам выполнения процессов и функционирования подсистем.

Характерной особенностью функционирования транспортных систем является циклический характер их работы. Начальной точкой рабочего цикла транспортной системы является подача порожнего под­вижного состава для выполнения перевозок. При перевозках грузов – это подача подвижного состава под погрузку, на пассажирских пере­возках – выезд автобуса с конечного пункта на маршрут. В зависимос­ти от технологии выполнения перевозок и организации движения в процессе транспортного цикла могут выполняться различные транс­портные процессы, связанные с погрузкой или разгрузкой грузов, посадкой или высадкой пассажиров. Транспортный цикл заканчивает­ся в момент прибытия порожнего подвижного состава для погрузки или в момент начала выполнения маршрута пассажирским автобусом.

В реальных условиях на выполнение транспортного цикла влия­ет существенное количество различных возмущающих воздействий, большинство из которых имеет случайный характер, поэтому основ­ные характеристики транспортного цикла, например его продолжитель­ность, как правило, весьма нестабильны. С целью их стабилизации необходимо предпринимать меры для снижения числа возмущающих воздействий. Это, например, организация выделенной полосы движе­ния и приоритетного светофорного регулирования для городского об­щественного транспорта.

Совокупность элементов и связей, образующих транспортную систему, не является постоянной величиной, а зависит от объекта управления и других факторов. Обычно состав системы определяется позицией «наблюдателя» – обобщающее название исследователя, про­ектировщика, конструктора, лица, принимающего решения и других аналогичных субъектов, изучающих, создающих систему или управ­ляющих ею. Например, для экспедитора объектом управления являет­ся процесс доставки груза, и, с его точки зрения, в транспортную сис­тему войдут грузовладелец, перевозчик, график доставки и т. д.

С точки зрения перевозчика, заключившего с экспедитором дого­вор на перевозки, в транспортную систему войдут водитель, транспорт­ное средство, груз, средства технического обеспечения и т. д. Для пе­ревозчика объектом управления является транспортное средство, поэтому все элементы предметной области, на которые он не может воздействовать, относятся к среде.

Сложность определения границ транспортной системы возраста­ет при увеличении степени ее взаимодействия с другими системами, например, в крупных городах. На рис. 3.5 схематично показано взаи­модействие транспортной системы крупного города с другими систе­мами. При решении определенных задач управления результат может быть достигнут только при комплексном рассмотрении нескольких систем и их постоянной координации. Так, транспортная система города не сможет успешно развиваться, если в план развития города не будут заложены соответствующие территориальные ресурсы. Сокра­щение среднего времени поездки пассажиров общественного транс­порта невозможно без выделения полос для обособленного движения наземного транспорта, строительства транспортно-пересадочных узлов на станциях скоростного транспорта и т. п.

Рис. 3.5. Взаимодействие транспортной системы крупного города с другими системами

Таким образом, городская транспортная система может успешно функционировать только в условиях тесной координации с другими городскими системами. В реальности эта координация усложняется выбором критериев работы отдельных систем, которые слабо увязаны с результатами функционирования смежных систем.

Рассмотрим особенности транспортной системы как объекта управления. Элементы транспортной системы функционируют в рам­ках определенной организации транспортных процессов, которая пре­допределяет возможность движения в системе за счет установления в системе связей между ее элементами, определения правил и условий взаимодействия элементов при ее функционировании (например, ПДД при движении автомобилей, договора между участниками транспорт­ного процесса и т. п.). Форма организации транспортных процессов определяется их содержанием: технологией и ролью тех или иных про­цессов в транспортной системе.

Наличие такого элемента транспортной сети, как люди, относит транспортную систему к разряду человеко-машинных, или организа­ционных систем. Активный элемент системы – человек, он обладает способностью к целенаправленному поведению в быстро меняющей­ся ситуации, адаптации к новым условиям функционирования систе­мы. Наличие в системе множества людей приводит к формированию коллективного поведения ее участников, которое складывается как ре­зультат достаточно независимого поведения отдельных индивидуумов, стремящихся к достижению собственных целей. Присутствие в объек­те управления активных элементов приводит к формированию устой­чивых режимов функционирования транспортной системы, поскольку всякое внешнее для объекта возмущение компенсируется на уровне индивидуальных решений субъектов системы.

Транспортная система является уникальным примером системы с коллективным поведением ее субъектов. В связи с этим коллектив­ное поведение является мощным фактором, формирующим закономер­ности функционирования транспортной системы. Причем процессы самоорганизации приводят к образованию нескольких уровней устой­чивого функционирования системы, образующих иерархическую струк­туру коллективной адаптации с различной временной стабильностью. В этом плане можно выделить три следующих структурных уровня:

• распределение мест формирования, обработки и потребления грузов, расселение населения;

• организацию транспортных процессов в сети;

• формирование транспортных потоков на участках сети.

На рис. 3.6 приведены соответствующие временной стабильнос­ти уровни и соответствующие им объекты управления транспортной системы.

Рис. 3.6. Уровни временной стабильности и соответствующие им объекты управления транспортной системы

В результате размещения мест приложения труда, жилых райо­нов и объектов транспортного притяжения в городе устанавливаются определенные транспортные связи, которым соответствуют корреспон­денции населения и грузов. Достаточно медленные изменения во вре­мени размещения объектов предопределяют формирование устойчи­вых корреспонденций. Перераспределение корреспонденций происхо­дит при смене мест работы и жительства, вводе в строй новых транспортных связей и объектов притяжения. Выбор той или иной кор­респонденции происходит под действием разнообразных причин эко­номического и социального характера, важнейшими из которых явля­ются время и комфорт поездки. С другой стороны, высокая стабиль­ность корреспонденций оказывает сильное влияние на пути развития транспортной системы.

Транспортные процессы организуют, чтобы установить функци­ональные связи для всех видов движения в системе. Вероятностный характер функционирования транспортной системы (заторы, простои ит.п.) приводит к необходимости адаптации участников движения, которая осуществляется за счет корректировки корреспонденций, вне­сения изменений в графики выполнения работ. Адаптация повышает надежность функционирования всех элементов системы, т. е. способ­ствует живучести организации транспортных процессов.

Корреспонденции представляются на отрезках сети в форме гру­зовых, пассажирских, транспортных или пешеходных потоков. Эконо­мическая деятельность приводит к образованию устойчивого движе­ния потоков, которое характеризуется определенными вероятностны­ми изменениями в виде закономерностей изменения грузопотоков, интенсивности движения и т. п. С увеличением загрузки элементов транспортной системы общие закономерности становятся более детер­минированными, что является следствием большего влияния ограни­ченной пропускной способности на процессы адаптации. На каждом из выделенных уровней самоорганизации транспортная система характеризуется собственным набором существенных пара­метров, по которым происходит адаптация субъектов системы.

Описанная структура, разделяющая процессы адаптации по временной стабильности, оказывается весьма существенной при исследовании транспортных систем. Целесообразность такого разде­ления диктуется резким различием в инерционности процессов на раз­ных уровнях.

Выделение некоторого множества параметров, с достаточной пол­нотой определяющих объект управления на каждом уровне, задает про­странство состояний, в котором может пребывать система. Точка в пространстве состояний, заданная числовыми значениями своих параметров, определяет состояние системы.

С позиции управления рационально все пространство состояний разбить на определенные классы состояний системы, каждому из которых будет соответствовать определенный вид управления.

Множество состояний транспортной системы, когда спрос при­ближается к пропускной способности, есть область переходного, не­устойчивого состояния системы. Если негативную тенденцию перело­мить не удалось, то система переходит в новое состояние – отказа функ­ционирования. Особенностью процесса возникновения отказа функцио­нирования системы является высокая скорость приближения к исчерпа­нию пропускной способности и длительность восстановления равновесия между спросом и производительностью, например, процесс возникнове­ния заторов на дорожной сети, в пунктах погрузки-разгрузки и т. п.